1. No category

TPP12 – APPLICATIONS DU LASER
OBJECTIFS
 Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant le laser comme outil d’investigation
 Montrer que le laser est également un outil permettant de transmettre une information
Les lasers, dont le principe vous a été exposé en cours, présente de nombreuses applications aussi bien dans le domaine
de la recherche que dans la vie de tous les jours.
(1) Le laser est tout d’abord un outil largement utilisé pour sonder la matière :

Par exemple, embarquée à bord du rover
« Curiosity », une source laser a permis aux
scientifiques
de
déterminer
la
composition
chimique du sol martien : En déposant une grande
quantité d’énergie sur un petit volume de roche, le
rayon laser est capable de provoquer une forte
élévation de la température de la roche (jusqu’à
8000 °C), puis sa vaporisation. L’analyse du nuage
de gaz alors obtenu permet
de déterminer la
nature des éléments chimiques présents.
Le rover « Curiosity » utilisé
pour analyser le sol martien
 D’autre part, le laser, en tant que lumière cohérente
monochromatique, peut donner lieu à des phénomènes de
diffraction et d’interférences lorsqu’il est envoyé sur des
structures périodiques (comme la surface d’un CD ou d’un DVD,
ou encore l’échantillon d’un matériau formé d’un assemblage de
grandes molécules de polymères). L’analyse des figures
d’interférences obtenues permet alors de remonter à la périodicité
de la structure, et notamment à la distance entre deux pistes
Figure obtenue par diffraction d’un faisceau
laser sur la surface d’un polymère
gravées sur un CD ou un DVD., ou encore de la distance entre
deux molécules de polymères.
(2) Le laser est utilisé pour lire des informations stockées :

sur des supports optiques (cD, DVD, Blu-Ray, …)
« interférences ».
comme vu dans le chapitre sur les

ou sous forme de codes barre : Le laser permet alors de détecter les zones capables de réfléchir la
lumière (bandes blanches) de celles qui ne le peuvent pas (bandes noires)
(3) Le laser est également utilisé pour transmettre des
informations d’un bout à l’autre de la planète sur des
grandes distances. Le signal lumineux est alors véhiculé grâce
à un réseau de fibres optique. Sa forte directivité et son faible
diamètre limite les pertes d’informations et permet de restituer
une information fidèle à celle que l’émetteur souhaitait transmettre.
(4) Par sa capacité à concentrer beaucoup d’énergie sur un tout petit
volume, le laser est également utilisé pour découper, percer, ou
encore graver en provoquant, comme dans le cas du sol martien,
l’élévation de la température du matériau jusqu’à sa fusion.
(5) Enfin, le laser est aussi utilisé comme instrument de mesure de précision :

Mesure de grandes distances, comme la distance Terre-Lune :
Un laser envoie 10 pulses par seconde en direction de la Lune. Le nombre de photons réfléchis par la surface lunaire
est certes très faible, (de l'ordre d'un photon par 100 tirs) mais suffisant pour qu’un signal lumineux soit collecté par
le miroir d’un télescope de 1.5 m de diamètre. L'intervalle de temps entre l'émission des pulses et la réception d’un
signal en retour permet de déterminer la distance Terre-Lune avec une précision 3 mm.

Mesure de fréquences ou de périodes, comme vous allez le voir dans ce TP, grâce à une diode laser
associée à une photodiode.

Mesure de la dimension de défauts présents sur la surface de composants
optiques : Un faisceau laser est envoyé en direction de la surface dont on
veut contrôler l’état. Les différents rayons lumineux constituant le
faisceau se réfléchissent sur la surface et peuvent interférer entre eux. En
présence de défauts, les différences de marche entre les différents rayions
réfléchis seront modifiées, de sorte que l’aspect de la figure d’interférence
en sera modifiée. En analysant la figure d’interférences obtenus, il est
possible de déterminer avec précision l‘état de surface d’un composant
optique et d’estimer la taille des différents défauts.
I – LE LASER, COMME OUTIL DE MESURE DE PERIODES OU DE FREQUENCE…..
Comme indiqué dans l’introduction, il est possible de mesurer, à l’aide d’un laser associé à une photorésistance, la
période d’oscillation d’un pendule ou encore sa fréquence.
DOCUMENT 1 – QUELQUES RAPPELS SUR LE PENDULE SIMPLE.
Un pendule simple est un système oscillant constitué d’un fil, de masse
négligeable et de longueur L, auquel est suspendu un solide, supposé ponctuel
(en fait, dont le rayon est 10 fois plus faible que la longueur du fil) et de masse
m. Lorsque le pendule est écarté de sa position d’équilibre et lâché sans vitesse
initiale, il oscille périodiquement.
Si l’écart angulaire que fait le fil avec la verticale du lieu reste suffisamment faible
au cours du mouvement oscillant, la période d’oscillation du pendule ne dépend
que de la longueur L du fil (en m) et de la valeur du champ de pesanteur terrestre
g (en m/s²) , selon la relation :
=2 ×
DOCUMENT 2 – LA PHOTORESISTANCE
Une photorésistance est un dipôle électrique dont la résistance électrique diminue
lorsque l'éclairement qu'elle reçoit d'une source lumineuse augmente. Il s'agit donc
d'un détecteur de lumière.
Dans les circuits électriques, la photorésistance est représentée par le symbole :
La photorésistance disponible au lycée présente un maximum de sensibilité dans l'infra-rouge : Autrement
dit, elle est plus sensible à la lumière émise par une diode laser qu’à la lumière du jour.
1. UTILISATION D’UN PONT DIVISEUR DE TENSION POUR VISUALISER LES VARIATION DE L’ECLAIREMENT
IL serait possible de visualiser les variations de l’éclairement au cours du temps en mesurant, en continu, la
valeur de sa résistance. Néanmoins, les outils les plus adaptés au suivi temporel d’une grandeur physique
sont l’oscilloscope et le logiciel d’acquisition « Atelier Scientifique ». Or ces deux instruments de mesure ne
permettent de ne visualiser que les variations temporelles d’une tension. Il est alors nécessaire d’insérer la
photorésistance au sein d’un « pont diviseur de tension » qui transformera les variations de résistance de
la photorésistance en variations de tension.
DOCUMENT 3 – PRINCIPE DU PONT DIVISEUR DE TENSION
Figure 1
Un pont diviseur de tension est un montage électronique simple
composé de deux conducteurs ohmiques  et , de résistances
respectives R1 et R2, associés en série et alimentés par un
générateur de tension continue fixe E. Le schéma normalisé d’un
pont diviseur de tension est celui de la figure (1)
Dans le cadre du TP, le conducteur ohmique  sera la photorésistance et le conducteur ohmique  un
conducteur ohmique d’assez grande résistance. L’intérêt d’un tel dispositif R1 est de disposer d’une tension
aux bornes de la résistance R2 qui varie de façon non négligeable, lorsque la résistance de la photorésistance
varie même faiblement. Ce montage « pont diviseur de tension » est directement disponible sur la plaquette
de la photorésistance comme le montre la figure (3) ci-dessous
Borne Rouge +15
du générateur
Borne V du
voltmètre
Borne Jaune
Borne Noire

Cellule photo résistive
Borne COM du
voltmètre

Borne Noire du
Générateur +15
V/-15 V (Masse)
Figure (2)
Borne Verte
Figure (3)
 Réaliser le montage « pont diviseur de tension » ci-dessus, en effectuant les branchements indiqués dans
le document 3 figure (3)
 Placer la photorésistance sur un élévateur en face et relativement près de la photodiode laser comme
indiqué sue le schéma du document 4
DOCUMENT 5 - MONTAGE (VUE DE FACE)
photorésistance
diode laser
potence
potence
 A l’aide du voltmètre, mesurer la tension aux bornes de la résistance R2 lorsque la photodiode éclaire la
photorésistance et lorsqu’elle ne l’éclaire pas. On se placera dans la pénombre.
o U(laser) = …………………………………
o U(pénombre) = ………………………………..
 Comment varie la tension aux bornes de la résistance R2 en fonction de l’éclairement de la
photorésistance ?
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2. DETERMINATION DE LA PERIODE D’OSCILLATION D’UN PENDULE SIMPLE A L’AIDE D’UNE PHOTORESISTANCE ET
D’UNE DIODE LASER.
DOCUMENT 5 – MATERIEL MIS A DISPOSITION








1 diode laser (module émetteur fibroptonic Jeulin)
1 montage pont diviseur de tension comprenant une photorésistance (Voir paragraphe 2)
1 notice de présentation du matériel fibroptonic Jeulin
1 pendule simple possédant un fil de longueur L = …………………. (à mesurer)
1 interface d’acquisition informatique (Atelier Scientifique et Voltmètre ESAO)
Remarque : Aucune synchronisation n’est nécessaire. L’acquisition pourra se faire en continue…
1 alimentation 6V-12 V
1 alimentation -15 V/+15 V
Des fils de connexion
Q1 – En mesurant la longueur du fil de votre pendule et en prenant g = 9,8 m/s², déterminer la valeur
attendue pour la période d’oscillation du pendule en l’absence de frottement.
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Q2 – A l’aide du matériel mis à votre disposition et de l’étude précédente, rédiger un protocole permettant
de mesurer, avec le plus de précision possible, la période T de votre pendule simple
Dans ce protocole, vous indiquerez notamment la durée d’acquisition que vous allez choisir en le
justifiant à l’aide d’un ou plusieurs calculs.
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Q2 – Après validation du protocole par le professeur, le réaliser et estimer la période d’oscillation du pendule.
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Q3 – Comparer votre valeur expérimentale à la valeur attendue en calculant notamment l’écart relatif qu’il
existe entre les deux valeurs.
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II – LE LASER, COMME OUTIL DE TRANSMISSION D’INFORMATIONS….
Echanger des données à l’intérieur d’un bâtiment ou d’un bout à l’autre de la planète nécessite des réseaux
de communication adaptés.
Une première façon de transmettre des informations consiste à utiliser la propagation libre des ondes
hertziennes entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice. C’est d’ailleurs ce type de
transmission qui est utilisé pour donner un accès au réseau à l’ensemble des appareils électroniques de la
maison (Wifi) ou encore pour la communication entre 2 portables ……
1. ETUDE DE LA TRANSMISSION PAR VOIE HERTZIENNE.
Il est possible de reproduire le principe de la propagation libre par ondes hertziennes à l’aide :

d’un générateur de tensions périodiques (ou GBF) relié à un long fil électrique jouant le rôle d’antenne
émettrice et à un oscilloscope permettant de visualiser le signal à transmettre

d’un deuxième oscilloscope relié à un deuxième long fil électrique jouant le rôle d’antenne réceptrice. Ce
deuxième oscilloscope permet de visualiser le signal alors reçu après transmission par les voies aériennes.
Voici quelques exemples de signaux qu’il est possible d’observer suite à la transmission d’un signal
périodique de fréquence f par voie hertzienne
DOCUMENT 1 – CAS DE LA TRANSMISSION D’UN SIGNAL CARRE DE FREQUENCE F = 1 400 HZ
DOCUMENT 2 – INFLUENCE DE LA DISTANCE ENTRE LES ANTENNES EMETTRICE ET RECEPTRICE SUR LA QUALITE DE LA
TRANSMISSION D’UN SIGNAL.
REMARQUE : Si les signaux avaient une fréquence 100 fois plus faible, l’amplitude du signal reçu serait nettement
affaiblie, même lorsque les deux antennes sont proches l’une de l’autre
DOCUMENT 3 – EXEMPLE DE TRANSMISSION D’UN SIGNAL BINAIRE NON PERIODIQUE PAR VOIE HERTZIENNE
Signal binaire à
transmettre
Signal reçu
Données transmises
Données reçues
Q1 – Comparer la fréquence du signal émis et du signal reçu. Conclure sur la capacité des ondes hertziennes
à transmettre une information.
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Q2 – A l’aide des documents, dégager quelques inconvénients de la transmission des informations par voie
hertzienne, en précisant les causes expliquant l’apparition de ces défauts.
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Q3 - Quelles en sont alors les conséquences sur la transmission de l’information ?
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Il est à noter que la transmission hertzienne présente un autre inconvénient. Comme les ondes véhiculant
l’information se déplacent librement dans l’air, elles peuvent être captés par toute personne disposant d’une
antenne adapté, de sorte que l’information transportée ne peut rester confidentielle.
Q4 – Parmi les signaux à transmettre, on distingue les signaux analogiques et les signaux numériques.


Les signaux analogiques sont des signaux électriques variant continûment au cours du temps, c’est
à dire dont la valeur de la tension peut prendre une infinité de valeurs différentes (Exemples – les
signaux triangulaire et sinusoïdal des doc 1 et 2)
Les signaux numériques sont des signaux discontinus se présentant sous la forme d’une succession
de paliers. Le signal numérique le plus simple est un signal carré ne pouvant prendre que deux valeurs
possibles de tension. (voir doc 3)
Comment expliquer le passage de la transmission analogique à la transmission numérique des données au
cours de ces dernières années ? Quelle(s) avantage(s) présente le signal numérique par rapport au signal
analogique ?
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2. ETUDE DE LA TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE
Pour pallier aux inconvénients de la transmission par voie hertzienne et devant le développement important
des communications, d’autres modes de transmission se sont développées en parallèle :


La transmission guidée par câble coaxial
Et la transmission guidée par fibre optique
Dans le cadre de cette partie, vous vous intéresserez au cas de la fibre optique.
DOCUMENT 1 – PRESENTATION DE LA FIBRE OPTIQUE
Une fibre optique est un guide dans lequel un signal lumineux (ou de façon générale une onde électromagnétique)
peut se propager. Elle est constituée :

D’un cœur dans lequel le signal lumineux se propage

D’une gaine sur laquelle le signal lumineux se réfléchit successivement. Pour que le phénomène de réflexion soit
total (c'est-à-dire pour que le phénomène de réfraction n’ait pas lieu), l’indice de réfraction de la gaine est toujours
inférieur à celui du cœur.
.
a. COMPARAISON DE LA PROPAGATION AVEC OU SANS GUIDAGE PAR FIBRE OPTIQU
Le lycée dispose d’un dispositif permettant de simuler la transmission d’un signal sonore ou électrique de façon libre
ou guidée. Ce montage comporte :



un encodeur transformant le signal à transmettre (sonore ou électrique) en un signal émis par une diode
laser
une fibre optique (qu’il est possible d’enlever)
un décodeur transformant le signal lumineux capté par une photodiode en signal sonore ou électrique.

(Pour les notices – Voir en annexe)
PROTOCOLE




Alimenter le module émetteur à l’aide d’une alimentation 12 V en respectant les bornes noire et rouge de la
maquette
Alimenter le module récepteur à l’aide d’une autre alimentation continue délivrant une tension de 10 V
Toujours au niveau du module récepteur, relier les bornes jaune et noire destinées à la visualisation du signal
en sortie à la console EXAO de l’ordinateur
Ouvrir l’atelier scientifique et paramétrer le logiciel de façon à visualiser la tension capté par le récepteur au
cours du temps. Pour cela :
 Glisser le chronomètre sur l’axe des abscisses
 Cliquez sur le chronomètre et effectuez les réglages suivants :
o Dans l’onglet « Fonction du temps »,
 Prendre pour durée d’acquisition 50 ms et comme nombre de points 501,
 Cocher l’option « Acquisition en continu »
o Dans l’onglet « Synchronisation », ne RIEN cocher.
 Glissez le premier boitier sur l’axe des ordonnées
 Cliquez sur le boitier et effectuez les réglages suivants :
o Dans l’onglet « CALIBRE » : choisir +/- 250 mV






Relier l’encodeur à la fibre optique puis la fibre optique au décodeur
Placer l’émetteur et le récepteur à 10 cm l’un de l’autre
Lancer l’acquisition en continu
Emettre un son face au microphone sur l’encodeur puis écouter en sortie du haut-parleur du décodeur.
Recommencer l’expérience en éloignant l’émetteur et le récepteur
Refaire l’expérience sans la fibre optique en repositionnant l’émetteur et le récepteur à 10 cm l’un de l’autre.
Q1 - A partir de vos observations, indiquer les avantages de la propagation guidée par rapport à la propagation libre.
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b. COEFFICIENT D’ATTENUATION
Bien que plus efficace, la propagation d’un signal par fibre optique ne se fait pas sans atténuation. Pour
quantifier la perte d’énergie du signal au cours de sa propagation, est défini un coefficient d’atténuation A,
exprimé en dB
DOCUMENT 2 – COEFFICIENT D’ATTENUATION
L’affaiblissement du signal est défini par la relation :
=
(
)
Où Pe est la puissance en entrée en W et Ps la puissance en sortie en W
En supposant qu’il est possible de définir une résistance R à la portion de fibre optique, la puissance en entrée
est proportionnelle au carré de la tension en entrée et la puissance de sortie au carré de la tension en entrée.
Dans ce cas, le coefficient d’atténuation est donné par la relation :
=
=
Où Ue est l’amplitude du signal à transmettre en V et Us l’amplitude du signal capté en V
PROTOCOLE

Régler un GBF de façon à ce qu’il délivre une tension de 0,5 V de fréquence 5 kHz, en vous aidant d’un
multimètre

Relier les bornes de sortie du GBF à un deuxième adaptateur Voltmètre EXAO

Reprendre le montage précédent en reliant les deux modules « emetteur » et « recepteur » à l’aide de la fibre
optique

Relier les bornes du GBF aux bornes Noire et Jaune du module « EMETTEUR » en reliant la borne noire du
GBF à celle de la plaquette et la borne rouge à la borne JAUNE.

Reparamétrer l’atelier scientifique de façon à visualiser à la fois la tension en sortie du module
« RECEPTEUR » et la tension délivrée par le GBF.

Cliquez sur le chronomètre et effectuez les réglages suivants :
Dans l’onglet « Fonction du temps »,
o
Prendre pour durée d’acquisition 1 ms et comme nombre de points 501,

Cocher l’option « Acquisition en continu »
Dans l’onglet « Synchronisation », ne RIEN cocher.
o


Cliquer sur le boitier destiné à la visualisation du signal à transmettre et effectuer les réglages suivants :
o
Dans l’onglet « CALIBRE » : +/- 2,5 V et Instantanée
o
Dans l’onglet grandeur, choisir d’afficher des valeurs de tension comprises entre – 2 V et
2V

Cliquer sur le boitier destiné à la visualisation du signal reçu et effectuer les réglages suivants :
o

Dans l’onglet « Calibre », choisir +/- 250 mV
Lancer une acquisition
Q2 - En déduire les valeurs des amplitudes des signaux à transmettre et reçu à l’aide des résultats de
l’acquisition.
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Q3 – Calculer le coefficient d’atténuation de la fibre optique dans le cas de l’expérience.
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En réalité, le coefficient d’atténuation d’une fibre
optique dépend non seulement de sa longueur, mais
aussi de la longueur d’onde du signal lumineux à
DOCUMENT
3 - COEFFICIENT
D'ATTENUATION DU
SIGNAL EN FONCTION DE LA LONGUEUR D'ONDE DE LA
RADIATION LUMINEUSE SE PROPAGEANT DANS LA FIBRE
OPTIQUES
transmettre
Q4 – Quel type d’ondes électromagnétique les fibres
optiques
doivent-elles
véhiculées
pour
limiter
l’atténuation du signal ?
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Q5 - Deux bâtiments distants de 40 km sont reliés par
une ligne de communication. Les récepteurs peuvent
détecter des signaux de puissance minimale égale à 5 % de la puissance du signal émis.
i. Déterminer l’atténuation d’une telle ligne
ii. En déduire le domaine de longueur d’onde utilisé pour la fibre optique.
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L’atténuation du signal est définie par la
relation :
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=
( )
Où Pe est la puissance en entrée en W
et Ps la puissance en sortie en W
c. TROIS CATEGORIES DE FIBRES OPTIQUES….
DOCUMENT 4 - LES DIFFERENTS TYPES DE FIBRE OPTIQUE
FIBRE MULTIMODE A SAUT D’INDICE
 Plusieurs trajets possibles pour
les rayons lumineux se propageant
dans la fibre
 L’indice de réfraction du cœur
est constant
FIBRE MULTIMODE A GRADIENT D’INDICE
 Plusieurs trajets possibles pour
les rayons lumineux se propageant
dans la fibre
 L’indice de réfraction du cœur
n’est pas le même partout et dépend
de la distance au centre
FIBRE MONOMODE
 Un seul trajet possible pour les
rayons lumineux
 L’indice du cœur est le même en
tout point du cœur de la fibre
DOCUMENT 5 - COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES
DE TRANSMISSION DES FIBRES MONOMODES ET MULTIMODES
Q6 - Quelle(s) différence(s) existe-t-il
entre les fibres multimodes et les fibres
monomodes ? Quelle en est la principale
conséquence sur le signal en sortie de
fibre ?
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Q7 - En milieu urbain, la fibre optique utilisée pour relier deux installations proches dans un domaine
urbain est la fibre optique multimode et non monomode. Justifier ce choix.
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